Aus der Abteilung Operative Intensivmedizin (Prof. Dr. med. M. Quintel)
des Zentrum Anaesthesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin in der Medizinischen Fakultät der Universität Göttingen
Experimentelle und klinische Untersuchung der
elektrischen Impedanztomographie zur regionalen Lungenfunktionsprüfung
beatmeter Patienten
Habilitationsschrift (kumulatives Verfahren) zur Erlangung der Venia legendi
in der Medizinischen Fakultät der Georg-August Universität zu Göttingen
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ... 3
2. Material und Methoden ... 9
2.1 Durchgeführte Studien ... 9
2.2 Elektronenstrahl-Computertomogram (EBCT)... 16
2.3 Ventilationsszintigraphie (SPECT)... 16
2.4 Elektrische Impedanztomographie... 17
2.4.1 Funktionelle Impedanztomographie...18
2.4.2 Regionale PV-Kurven ...20
2.5 Pneumotachographie ... 21
2.6 Offener Stickstoffauswaschvorgang ... 22
2.7 Statistik... 22
3. Ergebnisse ... 24
3.1 Studie I ... 24
3.2 Studie II:... 26
3.3 Studie III: ... 31
3.4 Studie IV: ... 34
3.5 Studie V... 36
4. Diskussion ... 41
5. Zusammenfassung... 53
1. Einleitung
Die maschinelle Beatmung ist Bestandteil moderner medizinischer Therapiekonzepte, um bei Störungen des pulmonalen Gasaustausches eine ausreichende Versorgung des Patienten mit Sauerstoff und die Elimination von Kohlendioxid zu gewährleisten. Bei einer Erschöpfung der Atemmuskulatur als Folge akuter oder chronischen Erkrankung mit erhöhter Atemarbeit wird durch eine maschinelle Beatmung die Atemmuskulatur entlastet (Wrigge et al. 1999).
Dies erlaubt eine Erholung der Atemmuskulatur, die neben der Therapie der Grunderkrankung für eine Rekonvaleszenz des Patienten unumgänglich ist. Bei Patienten mit schweren lebensbedrohlichen Erkrankungen wie Sepsis, Polytrauma oder isolierten Lungenversagen gehört die maschinelle Beatmung zum etablierten Behandlungskonzept (Andrews et al. 2005, Dellinger et al. 2004, Hudson und Steinberg 1999).
Die maschinelle Beatmung führt jedoch auch regelmäßig zu einer Verschlechterung der Lungenfunktion. Sie ist gekennzeichnet durch eine Zunahme der alveolo-kapillären Sauerstoffdifferenz, so dass eine inspiratorische Sauerstofffraktion (FiO2) von mindestens 0,3 für die Beatmung empfohlen wird (Sykes et al. 1965). Es wurde dabei ein kausaler Zusammenhang zwischen der maschinellen Beatmung, schlechter werdender Lungenfunktion und dem
besondere Bedeutung für die Entstehung von Atelektasen kommt der inspiratorischen Sauerstofffraktion (FiO2) zu. Wird bei einer Narkoseeinleitung auf eine Präoxygenierung mit reinem Sauerstoff (FiO2 = 1,0) verzichtet, oder reduziert man die FiO2 direkt nach der endotrachealen Intubation auf 0,3, so ist die Größe der Atelektasen signifikant kleiner als nach Präoxygenierung und dreiminütiger Beatmung mit reinem Sauerstoff (Reber et al. 1996). Eröffnet man atelektatische Lungenareale während maschineller Beatmung durch die kurzfristige Anwendung eines erhöhten Atemwegsdruck (PAW), so ist die Geschwindigkeit des erneuten Auftretens sowie die Größe der entstehenden Atelektasen ebenfalls von der FiO2 abhängig (Rothen et al. 1995). Atelektasen erklären jedoch nicht nur die Zunahme der alveolo-kapillären Sauerstoffdifferenz von Patienten in Narkose, sondern sie kennzeichnen auch das akute Lungenversagen bei Patienten in seiner schwersten Ausprägung, dem „Acute Respiratory Distress Syndrome“ (ARDS) (Bernard et al. 1994). Großflächige dorso-basale Atelektasen sind beim ARDS typischerweise nachweisbar (Gattinoni et al. 1986, Gattinoni et al. 1988). Wie bei lungengesunden Patienten in Narkose korreliert auch beim ARDS der intra-pulmonale Rechts-Links-Shunt mit der Größe der Atelektasen (Gattinoni et al. 1988). Das Ziel jeder Beatmung muss daher sein, die Entstehung von Atelektasen zu verhindern und bereits vorhandene Atelektasen wieder zu eröffnen und für den Gasaustausch zu rekrutieren.
Lachmann formulierte in einem Editorial den Grundsatz „Open up the lung and keep the lung open“ (Lachmann 1992). Deshalb wurden verschiedenste Vorschläge gemacht, um Atelektasen zu vermeiden oder zu rekrutieren. Dazu gehören das „open lung“ Konzept (Lachmann 1992), die superpositionierte
Spontanatmung während maschineller Beatmung (Putensen et al. 2001), die maschinelle Beatmung mit inversen Inspiration-Exspiration-Zeitverhältnissen (Sydow et al. 1994), die Bauchlagerung des Patienten (Flatten et al. 1998), die nicht invasive Beatmung (Brochard 2000) oder die maschinelle Beatmung mit positiv end-exspiratorischen Drucken (PEEP) (Neumann et al. 1998b).
Die Beatmung schädigt jedoch bei inadäquater PEEP und/oder Plateaudruck die Lunge sekundär durch zyklisches Kollabieren und Wiedereröffnen von Alveolen (Dreyfuss und Saumon 1998, Pinhu et al. 2003).
Die dabei entstehenden Scherkräfte führen zur Freisetzung von inflammatorischen Zytokinen (Chiumello et al. 1999, Ranieri et al. 1999) und verursachen dadurch sekundäre Schäden an anderen Organen (Andrews et al. 2005, Plotz et al. 2003, Plotz et al. 2004, Slutsky und Tremblay 1998). Inadäquate hohe Beatmungsdrucke und hohe Tidalvolumina (VT), die zur Eröffnung kollabierter Lungenregionen bei Rekrutierungsmanövern eingesetzt werden, können durch eine Überdehnung des Lungenparenchyms und konsekutivem Einriss von Lungenepithelien ebenfalls sekundäre Lungenschäden hervorrufen und damit zu einer progredienten Verschlechterung der Lungenfunktion führen (Downey und Granton 1997, Kacmarek 1999, Matamis et al. 1984, Pelosi und Gattinoni 1996, Sykes 1991).
Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass eine Beatmung mit hohem positivem end-exspiratorischem Atemwegsdruck (PEEP) und kleinen Tidalvolumina (VT),
Plateaudruck aus Druck-Volumen-Kurven (PV-Kurve) der Lunge bestimmt werden, so dass die Messung der Atemmechanik von Bedeutung ist (Gattinoni et al. 1984). Der PEEP wird aus dem unteren Inflektionspunkt (LIP) der PV-Kurve bestimmt, wohingegen der Plateaudruck den oberen Inflektionspunkt (UIP) nicht überschreiten sollte. Kritisch bleibt jedoch anzumerken, dass Druck-Volumen- Kurven der gesamten Lunge nicht repräsentativ sind für alle Lungenregionen, da sie sich bezüglich der Atemmechaniken regional unterscheiden. In einer Studie konnte durch Computertomographie (CT) gezeigt werden, dass Patienten mit ARDS regional unterschiedliche Compliances aufweisen (Puybasset et al. 2000).
Deshalb wurde bei beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen (ALI) und ARDS empfohlen, zur Respiratoreinstellung regionale pulmonale Inhomogenitäten in die Überlegungen der atemmechanischen Messungen mit einzubeziehen und dass Techniken wünschenswert sind, die die regionale Funktion der Lunge überwachen (Rouby et al. 2002).
Die Computertomographie des Thorax ist die sensitivste Methode zur Erkennung von Atelektasen und Überblähungen der Lunge sowie der Überwachung der regionalen Atemmechanik und derer Inhomogenität. Sie liefert anhand der Hounsfield-Einheiten (HU)Informationen über regionale Atelektasen und Lungenvolumen (Gattinoni et al. 1987). Der Nachteil dieses Verfahren ist die Strahlenbelastung des Patienten, die wiederholte oder sogar kontinuierliche CT-Untersuchungen zur Objektivierung von Respiratoreinstellungen einschränken. Bei einer weiteren Methode zur Messung der regionalen Lungenfunktion, der Ventilationsszintigraphie wird ein Radiopharmakon (Tc-99m Albumin-Mikropartikel) inhaliert und mit hochauflösenden Kollimatoren aus
verschiedenen Kameraprojektionen die Aktivität des Radiopharmakons bestimmt und daraus die regionale Ventilation berechnet. Ein Nachteil dieses Verfahren ist die lange Messdauer, so dass rasche Veränderungen der regionalen Lungenfunktion, wie Bildung von Atelektasen nicht sicher im zeitlichen Verlauf beurteilt werden können (Neumann et al. 1998a, Neumann et al. 1998b). Weitere experimentelle jedoch klinisch nicht eingeführte Techniken sind die multiple Inertgas Eliminationstechnik (MIGET) zur Bestimmung von Ventilations- Perfusions-Verhältnissen (Wagner et al. 1974) und die Magnetresonanztomographie (van Beek et al. 2004).
Aus dem bisher Gesagtem wird deutlich, dass zur Überwachung, Rekrutierung und Vermeidung von Atelektasen und Lungenüberdehnung eine kontinuierliche, bettseitige Überwachung der regionalen Lungenfunktion wünschenswert ist (Dreyfuss und Saumon 1998). Es stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, mit denen die regionale Lungenfunktion untersucht werden kann.
Allen diesen Methoden ist gemeinsam, dass die Untersuchung nicht bettseitig erfolgen kann, so dass ein Transport des Intensivpatienten erforderlich wird.
Kritisch kranke Patienten haben jedoch während eines Transportes innerhalb des Krankenhauses eine erhöhte Morbidität und Mortalität (Andrews et al. 1990, Bercault et al. 2005, Smith et al. 1990, Warren et al. 2004). Ein Ausweg aus diesem Dilemma könnte die in den frühen 80er Jahren entwickelte elektrische
Impedanzänderungen innerhalb des Thorax. Da die Änderung der Impedanz von der Änderung des Luftgehaltes abhängig ist, ermöglicht die EIT eventuell eine bettseitige, kontinuierliche und strahlungsfreie Messung der regionalen Ventilation. Die EIT wurde bisher experimentell zum nicht invasiven Lungenmonitoring verwendet (Frerichs 2000). Es konnte gezeigt werden, dass sie bekannte physiologische Effekte reproduzieren kann (Adler et al. 1997, Adler et al. 1998) Die Überprüfung der EIT mit einem klinisch etablierten Verfahren der Luftgehalts- und Ventilationsmessung fehlt jedoch bis heute. Ein positiver Vergleich der nicht invasiven EIT mit Referenzverfahren wäre bei beatmeten Patienten hilfreich, um die regionalen Lungenfunktion bettseitig zu überwachen, die Einstellung von Beatmungsgeräten zu optimieren und Atelektasen und Lungenüberblähung zu verhindern. Kombiniert mit einer Atemwegsdruckmessung (PAW) könnte die EIT bettseitig regionale PV-Kurven messen. Das Ziel dieser Habilitationsarbeit war deshalb die Überprüfung der EIT mit klinisch etablierten Verfahren der globalen und regionalen Lungenvolumen- und Ventilationsmessung (CT, Ventilationsszintigraphie und offener Stickstoffauswaschvorgang). Desweiteren sollte ein Verfahren entwickelt werden, dass die bettseitige Überwachung des Einflusses von PEEP auf die regionale Ventilation ermöglicht. Zusätzlich sollte bettseitige die kontinuierliche Messung der regionalen Atemmechanik durch regionale PV-Kurven ermöglicht werden.
2. Material und Methoden 2.1 Durchgeführte Studien
Die Habilitation wurde in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Anästhesiologische Forschung (Prof. Dr. med. G. Hellige) des Zentrum Anaesthesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin durchgeführt und basiert auf den folgenden Originalarbeiten, die im Text mit den Ziffern I - V bezeichnet werden:
I. Inez Frerichs, José Hinz, Herrmann P, Weisser G, Hahn G, Taras Dudykevych, Michael Quintel, Gerhard Hellige (2002): Detection of local lung air content by electrical impedance tomography compared with electron beam CT. J Appl Physiol 93(2), 660-666 II. José Hinz, Peter Neumann, Taras Dudykevych, Lars Goran
Andersson, Herrman Wrigge , Hilmar Burchardi , Goran Hedenstierna (2003): Regional ventilation by Electrical Impedance Tomography-A comparison with ventilation scintigraphy in pigs. Chest 124, 314-322
III. José Hinz, Günter Hahn, Peter Neumann P, Michael Sydow, Peter Mohrenweiser, Gerhard Hellige, Hilmar Burchardi (2003):
End-expiratory lung impedance change enables bedside monitoring of end-expiratory lung volume change. Intensive Care Med 1, 37-43
IV. José Hinz, Peter Mohrenweiser, Peter Neumann, Günter Hahn, Michael Sydow, Gerhard Hellige, Hilmar Burchardi (2005):
Effects of positive end expiratory pressure on regional ventilation in mechanically ventilated patients. Eur J Anaesth 22(11), 817- 825
V. José Hinz, Onnen Moerer, Peter Neumann, Taras Dudykevych, Inez Frerichs, Gerhard Hellige, Michael Quintel (voraussichtlich 2006): Regional pulmonary pressure volume curves in
Alle Studien wurden durch die zuständigen Ethikkommissionen genehmigt. Einwilligungsfähige Patienten stimmten nach ausführlicher Aufklärung schriftlich der Teilnahme an der Studie zu. Bei nicht einwilligungsfähigen Patienten erklärten die nächsten Angehörigen oder ein vom Gericht bestimmter Betreuer den mutmasslichen Willen des Patienten zur Teilnahme in die Studie.
Untersucht wurden maschinell beatmete Schweine mit gesunden und Ölsäure geschädigten Lungen als Modell einer ARDS Lunge. Desweiteren wurden maschinell beatmete Patienten mit akutem Lungenversagen in die Studien eingeschlossen. Die regionale Ventilation wurde zum einem bettseitig, nicht invasiv, strahlungsfrei mit der elektrischen Impedanztomographie und zum anderen invasiv, strahlenbelastend mit einem Elektronenstrahl-CT und der Ventilationsszintigraphie gemessen. Das globale end-exspiratorische Lungenvolumen wurde mit einem offenen Stickstoffauswaschvorgang gemessen.
Die regionale Ventilation wurde nach dem Verfahren der funktionellen Impedanztomographie bestimmt (Hahn et al. 1996). Desweiteren wurde die regionale Atemmechanik durch eine neuartige Methode der Bestimmung von regionalen PV-Kurven aus zeitgleichen Messungen der elektrischen Impedanztomographie und des Atemwegdruckes bestimmt.
Die Studie I wurde durchgeführt im Labor des Elektronenstrahl- Computertomogram (EBCT) der Universität Mannheim. Dort untersuchten wir an sechs maschinell beatmeten Schweinen mit gesunden Lungen die regionale Ventilation mit EIT (Goe-MF, EIT-Group Göttingen, Göttingen) und EBCT. Das
EBCT diente wegen seiner hohen zeitlichen Auflösung als klinisches Referenzverfahren zur Messung der regionalen Ventilation. Änderungen im regionalen Luftgehalt und der regionalen Ventilation wurden durch Variation von drei PEEP und fünf Tidalvolumina generiert. Für jede Lungenhälfte wurden in der Elektrodenebene medioclavicular eine ventrale, mittlere und dorsale Regionen ausgewählt (s. Abbildung 1 Seite 11). Wir untersuchten zeitgleich die regionale Ventilation in diesen sechs Regionen mit der EIT und EBCT und verglichen die Ergebnisse.
Abbildung 1: Auswahl der sechs Messregionen am Elektronenstrahl-CT (links) und der funktionelle Impedanztomographie (rechts) am Beispiel eines maschinell beatmeten Schweins (Frerichs et al.
2002a).
Studie II wurde durchgeführt im Tierversuchslabor der Abteilung
und zu untersuchen (Neumann und Hedenstierna 2001). Die Dosierung der Ölsäure wurde durch intermittierende Blutgasanalysen gesteuert, um eine akute Lungenschädigung mit einem PaO2/FiO2 von 200 mm Hg zu erreichen. Nach Stabilisierung der Lungenschädigung untersuchten wir zeitgleich die regionale Ventilation in 20 koronalen Segmenten einer vier Zentimeter dicken transversalen Schicht mit der EIT (Goe-MF, EIT-Group Göttingen, Göttingen) und Ventilationsszintigraphie (s. Abbildung 2 Seite 12). Die Ventilationsszintigraphie diente als klinisch etabliertes Referenzverfahren zur Messung der regionalen Ventilation bei diesem ARDS Modell.
Abbildung 2: Beispiel des Auswerteverfahren
Nach Stabilisierung der Lungenschädigung verglichen wir zeitgleich die regionale Ventilation in 20 koronalen Segmenten einer vier Zentimeter transversalen Schicht mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) und Ventilationsszintigraphie (SPECT) (Hinz et al.
2003b).
Studie III führten wir auf den Intensivstationen des Zentrums Anästhesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin im Klinikum Göttingen durch.
Bei zehn maschinell beatmeten Patienten mit einem akutem Lungenversagen wurde vier verschiedene PEEP gewählt und das sich verändernde globale end-
exspiratorische Lungenvolumen mit der EIT (APT System MK1, IBEES, Sheffield, UK) (s. Abbildung 3 Seite 13) und einem offenen Stickstoffauswaschvorgang als Referenzverfahren untersucht und verglichen.
-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Time [not scaled]
ΔImpedance
ElIC PEEP 0
ElIC PEEP 5
ElIC PEEP 10
ElIC PEEP 15
Tidal volume
Abbildung 3: Bestimmung der Änderung des end- exspiratorischen Lungenvolumens bei vier verschiedenen PEEPs aus globalen end-exspiratorischen Impedanzzeitverläufen (EILC) der elektrischen Impedanz-
tomographie (Hinz et al. 2003a).
Studie IV führten wir ebenfalls auf der Intensivstation des Zentrums Anästhesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin im Klinikum Göttingen durch.
Wir untersuchten an acht wegen eines akuten Lungenversagens maschinell
912 Regionen eines Thoraxquerschnitt in der Elektrodenebene. Die 912 regionalen Ventilationen wurden in vier Ventilationsgruppen (nicht ventiliert, schlecht ventiliert, moderat ventiliert und gut ventiliert) eingeteilt und bei verschiedenen PEEPs untersucht (s. Abbildung 4 Seite 14).
Abbildung 4: Beispiele regionaler Ventilationsgruppen (nicht, schlecht, moderat, gut) bei fünf verschiedenen PEEPs in einer transversalen Thoraxschicht im 6. Intercostalraum eines beatmeten Patienten gemessen mit der funktionellen Impedanztomographie (f-EIT) (Hahn et al. 1995, Hahn et al. 1997). Die Darstellung der f-EIT basiert auf der Berechnung der Standardabweichung der Impedanzänderung in jeder der 912 Bildregion eines EIT-Bildes. Eine Erhöhung des PEEP resultierte in einer Zunahme der Ventilation in dorsalen Anteilen des Thoraxquerschnitt und basiert auf einer Abnahme atelektatischer Lungenregionen (Hinz et al. 2005).
Studie V führten wir ebenfalls auf der Intensivstation des Zentrum Anästhesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin im Klinikum Göttingen durch.
Wir untersuchten bettseitig die regionale Atemmechanik von neun beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen durch die neuartige Kombination von EIT und Atemwegsdruck zur Generierung von regionalen PV-Kurven. Während eines inspiratorischen Low-Flow-Manöver (Mankikian et al. 1983) untersuchten wir
gut moderat nicht schlecht
PEEP [mbar] 0 5 10 15 0
dorsal ventral
zeitgleich konventionelle und regionale PV-Kurven und vermuteten eine ausgeprägte Heterogenität der regionalen PV-Kurven.
Abbildung 5: Sechs Beispiele aus insgesamt 912 möglichen regionalen PV-Kurven. PV-Kurven zeigen beim Lungenversagen
2.2 Elektronenstrahl-Computertomogram
Die Messung der regionalen Ventilation mit dem Referenzverfahren Elektronenstrahl-CT (EBCT) (EBCT C-150XP Imatron, San Francisco, CA) wurde an der Universität Mannheim im „multisclice“ Verfahren durchgeführt (Becker et al. 1998). Während einer Untersuchungsperiode von 12 Sekunden wurden 160 CT Schichten mit einer Untersuchungsgeschwindigkeit von 3,3 Schichten pro Sekunde untersucht. Die Auflösung des EBCT Bildes betrug 256*256 Bildpunkte. Regionen mit - 1000 bis -900 Hounsfield-Units (HU) wurden als überbläht und Regionen mit - 100 bis + 100 HU als atelektatisch definiert. Wohingegen Regionen von -900 bis -500 HU als normal belüftet und von -400 bis -200 HU als minder belüftet definiert wurden (Gattinoni et al. 1987).
2.3 Ventilationsszintigraphie
Die Messung der regionalen Ventilation mit dem Referenzverfahren Ventilationsszintigraphie (SPECT) wurde mit 99mTechnetium markierten Karbonteilchen (Technegas®, Tetley Medical Limited, NSW, Australia) in der Universität Uppsala, Schweden durchgeführt. Die Partikelgrösse beträgt 0,1 µm und es wurde gezeigt, dass sich die Partikel pulmonal ähnlich der eines radioaktiven Gases verteilen (Burch et al. 1986). Dieses „Pseudogas“ wurde kontinuierlich mit einer an das Beatmungssystem verbundenen 2l Spritze über
einen Zeitraum von 3-5 Minuten appliziert. Die SPECT Daten wurden in 64 Projektionen auf einer Doppelkopf Gamma-Kamera (Maxxus, General Electric Systems, Milwaukee, WI, USA) mit einer Bildaufnahmedauer von 15 Sekunden pro Projektion und einer Bildauflösung von 64*64 Bildpunkten gemessen. Das Atemminutenvolumen wurde mit Pneumotachographie bestimmt. Die regionale Ventilation wurde in einer vier Zentimeter Schicht in der EIT Elektrodenebene auf der Basis des gemessenen Atemminutenvolumen berechnet (Nuclear Diagnostics HERMES Workstation, Stockholm, Schweden). Die Schicht wurde in 20 gleichmässige koronare Schichten, die von der Wirbelsäule zum Sternum verliefen (s. Abbildung 2 S.12). Die regionale Ventilation wurde als Anteil der Gesamtventilation in der untersuchten Elektrodenebene berechnet und miteinander verglichen.
2.4 Elektrische Impedanztomographie
In allen Studien wurde die regionale Ventilation bettseitig nicht invasiv mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) (Barber und Brown 1984) in Kombination mit dem Auswertealgorithmus der funktionellen Impedanztomographie (Hahn et al. 1996) gemessen. Das Prinzip der EIT basiert auf der Einspeisung kleiner Wechselströme (5 mA p-p) und nachfolgender Spannungsmessung über 16 Oberflächenelektroden, die am Thorax angebracht
geringen Teil vom pulsatilen Blutstrom abhängig (Faes et al. 1999). Bei den Untersuchungen wurden zwei unterschiedliche EIT-Geräte (APT System MK1, IBEES, Sheffield, UK und Goe-MF, EIT-Group Göttingen, Göttingen). Das APT System MK1 wurde in den 80er Jahren in Sheffield entwickelt und ist ein Gerät der ersten Generation. Das Goe-MF wurde in den letzten Jahren in der Abteilung Anästhesiologische Forschung (Prof. G. Hellige, Zentrum Anaesthesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin) entwickelt. Es zeichnet sich durch ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aus (Hahn et al. 2000, Hahn et al. 2001).
Abbildung 6: Prinzip der elektrischen Impedanztomographie Über ein Paar von 16 Oberflächenelektroden wird ein kleiner Strom eingespeist (current injection) und über den nicht beteiligten 13 Oberflächenelektroden die resultierende Oberflächenspannung gemessen (Voltage measurement).
Umlaufend wird jedes benachbarte Oberflächenpaar als Einspeisungselektroden genutzt, so dass 208 Oberflächen- spannungen (16 Einspeisungen* 13 Oberflächenspannungen) gemessen werden (Frerichs et al. 2002a).
2.4.1 Funktionelle Impedanztomographie
Die regionale Ventilation wurde mit der Methode der funktionellen Impedanztomographie (f-EIT) (Hahn et al. 1996) bestimmt. Das Prinzip basiert
auf der Kompression von Messreihen regionaler Impedanzänderungen über einen Zeitraum (i.d.R. 1000 EIT-Bilder über 100 Sekunden) und der Berechnung der Variation der regionalen Impedanzänderung. Die Variation der Impedanzänderung wird aus der Standardabweichung der regionalen Impedanzänderung der EIT-Bildserie für jeden der 912 Bildpunkte berechnet.
Regionen mit grosser regionaler Ventilation weisen eine grosse Standardabweichung und Regionen mit geringer regionaler Ventilation zeigen eine geringe Variation. Ein f-EIT-Bild stellt somit die regionale Impedanzvariation (Standardabweichung) als Parameter für regionale Ventilation dar (s. Abbildung 7, Seite 19).
SD 0,06
SD 0
ventral
dorsal SD 0,06
SD 0
ventral
dorsal
Abbildung 7: Funktionelle Impedanztomographie (f-EIT)
2.4.2 Regionale PV-Kurven
Regionale PV-Kurven wurden bei den maschinell beatmeten Patienten während eines inspiratorischen Low-Flow-Manöver gemessen (Mankikian et al.
1983). Das Manöver wurde von einem Beatmungsgerät (Evita 4, Dräger AG, Lübeck, Germany) durchgeführt, dass von einem Laptop mit einer speziellen Software gesteuert wurde (Evita4Lab, Dräger AG, Lübeck, Germany). Aus Sicherheitsgründen wurde der Atemwegsdruck bei 45 mbar limitiert. Ein inspiratorisches Low-Flow-Manöver wurde gewählt, da hierbei die Atemwegswiderstände wegen des sehr geringen Gasflusses nur einen geringen Beitrag zur Atemmechanik leisten, so dass angenommen werden kann, dass der regionale Druck gleich dem Atemwegsdruck ist. Der Atemwegsdruck wurde mit einem Druckaufnehmer über eine Kapillare direkt am Endotrachealtubus gemessen (Druckwandler AP, SI-special instruments GmbH, Nördlingen, Germany). Aus den regionalen Impedanzänderungen, die proportional zum regionalen Luftgehalt sind und dem Atemwegsdruck wurden je Patient bis zu 912 regionale Druck-Volumen-Kurven gemessen. Aus diesen Druck-Volumen-Kurven wurden die unteren Inflektionspunkte und oberen Inflektionspunkte als charakteristische Kurvenpunkte eines sigmoiden Kurvenverlaufes durch Anpassung an eine sigmoide Formel berechnet (s. Abbildung 8 Seite 21) (Venegas et al. 1998).
c = 26 cm H2O
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 10 20 30 40 50
P: airway pressure [cm H2O]
V: regional tidal volume [impedance%] b = 0.75 Impedance%LIP = c – 2d 12 cm H2O
UIP = c + 2d 40 cm H2O
c)/d
e (P
1 V −b −
= +
c = 26 cm H2O
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 10 20 30 40 50
P: airway pressure [cm H2O]
V: regional tidal volume [impedance%] b = 0.75 Impedance%LIP = c – 2d 12 cm H2O
UIP = c + 2d 40 cm H2O
c)/d
e (P
1 V −b −
= +
Abbildung 8: Berechnung der unteren (LIP) und oberen (UIP) Inflektionspunkte einer sigmoiden Druck-Volumen-Kurve durch Anpassung an die Gleichung V=b/(1+e-(P-c)/d) (Venegas et al.
1998).
2.5 Pneumotachographie
Die Messung des Gasflusses erfolgt mit dem Verfahren der Pneumotachographie (Fleisch 1925). Verwendet wurden beheizbare Pneumotachographen (Fleisch Nr. 2, Fa. Fleisch, Lausanne, Schweiz) und ein Differenzdruckabnehmer (Fa. Huba Control). Der Linearitätsbereich der verwendeten Pneumotachographen wird für den Gasfluß im Meßbereich von 0 bis 2,5 l/s mit ± 1 % angegeben. Das Prinzip der Gasflussmessung beruht auf dem Druckabfall über zahlreichen lamellenartig angeordneten Kapillaren. Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille ist der Druckabfall über jeder einzelnen Kapillare
2.6 Offener Stickstoffauswaschvorgang
Zur Messung des end-exspiratorischen Lungenvolumens wurde ein offener Stickstoffauswaschvorgang in Anlehnung an Darling und Mitarbeiter (Darling et al. 1940) mit Modifikationen nach Wrigge und Mitarbeiter (Wrigge et al. 1998) durchgeführt. Das Prinzip des offenen Stickstoffauswaschvorganges basiert auf dem atemzugsweisen Auswasch eines Indikators (Stickstoff) mit reinem Sauerstoff. Hierzu wird während einer Einwaschphase mit Raumluft (Stickstoffgehalt 79 %) am Respirator auf reinen Sauerstoff umgestellt.
Atemzugsweise wird die Menge des Indikators aus der Konzentration des Indikators durch Massenspektrometrie (MGA 1100 A, Fa. Perkin-Elmer, Pomona CA, USA) und dem Atemzugvolumen durch Pneumotachographie bestimmt. Das end-exspiratorische Lungenvolumen wird berechnet aus dem insgesamt ausgewaschenen Indikator und seiner initialen Konzentrationen (79% Stickstoff).
2.7 Statistik
Die statistischen Berechnungen erfolgten mit einer Standardsoftware (STATISTIKA©, Statsoft, Inc., Tulsa, OK, USA). Bei allen analytischen statistischen Verfahren wurde eine Irrtumswahrscheinlichkeit p < 0,05 für den α-Fehler als signifikant betrachtet. Die Überprüfung der Ergebnisse auf
Normalverteilung erfolgte mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test. Bei Annahme der Normalverteilung wurden die Ergebnisse als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Die Prüfung auf signifikante Unterschiede erfolgte dann für verbundene Stichproben mit dem Student´s-t-Test für verbundene und für unverbundene Stichproben mit dem Student´s-t-Test für unverbundene
Stichproben. Bei Ablehnung der Normalverteilung durch den Kolmogorov- Smirnov-Test wurden die Ergebnisse als Median und Bereich angegeben. Die Prüfung auf signifikante Unterschiede erfolgte in diesem Fall für verbundene Stichproben mittels Friedman-ANOVA oder dem Wilcoxon-Matched-Pairs-Test.
Bei unverbundenen Stichproben kam eine Kruskal-Wallis-ANOVA oder ein Mann-Whitney-U-Test zur Anwendung.
Lineare Korrelationen wurden mit der Pearson Korrelation Analyse nach dem Prinzip der kleinsten Abstandsquadrate durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Analyse nach „Bland and Altman“ (Bland und Altman 1986) durchgeführt. Der systematische Fehler wurde über den Bias aus den Mittelwerten der Differenzen zweier Methoden berechnet. Der zufällige Fehler wurde aus der Standardabweichung (SD) der mittleren Differenzen der zwei Methoden berechnet. Bias ± 2 SD wurden als Grenzen der Übereinstimmung der zwei Methoden gewählt.
3. Ergebnisse 3.1 Studie I
Inez Frerichs, José Hinz, Peter Herrmann, Gerhard Weisser, Günter Hahn, Taras Dudykevych, Michael Quintel, Gerhard Hellige (2002):
Detection of local lung air content by electrical impedance tomography compared with electron beam CT. J Appl Physiol 93(2), 660-666
Insgesamt wurden 15.500 EBCT-Schichten und 98.000 EIT-Bilder an den sechs mechanisch beatmeten Schweinen bei 15 Respiratoreinstellungen aufgezeichnet. Untersucht wurden Änderungen des Luftgehaltes in sechs regions- of-interest (ROI), die aus ventralen, medialen und dorsalen Regionen der rechten und linken Lunge ausgewählt wurden. Die Gesamtergebnisse zeigt die Abbildung 9 (Seite 25). Wir fanden für die Messung des Luftgehalts eine befriedigende Korrelation von EIT und EBCT. Die Korrelationskoeffizienten (R) schwankten von 0,75 in der ventral linken Lunge und 0,93 in der dorsal rechten Lunge, so dass wir die schlechteste Korrelation in den ventralen Lungenanteilen und die beste in den dorsalen Anteilen fanden.
Dorsal
Mitte
ventral Linke Lunge
Recht Lunge
Dorsal
Mitte
ventral Linke Lunge
Recht Lunge
Abbildung 9: Vergleich der Luftgehaltsänderungen gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) und einem Elektronenstrahl-CT (EBCT) in den ausgewählten Regionen (Ventral, Mitte, Dorsal) der rechten und linken Lunge (Frerichs et al. 2002a).
3.2 Studie II:
José Hinz, Peter Neumann, Taras Dudykevych, Lars Goran Andersson, Herrman Wrigge , Hilmar Burchardi , Goran Hedenstierna (2003): Regional ventilation by Electrical Impedance Tomography - A comparison with ventilation scintigraphy in pigs.
Chest 124, 314-322
Wir schlossen zwölf Schweine mit ARDS in die Studie ein. Je vier Schweine wurden maschinell ohne Spontanatmung (PCV), maschinell unter Erhalt der Spontanatmung (APRV) und mit ausschliesslicher Spontanatmung (CPAP) beatmet. Der Oxigenierungsindex (PaO2/FiO2) als Mass der Lungenschädigung war im Mittel 176 mm Hg in der PCV Gruppe, 197 mm Hg in der APRV Gruppe und 212 mm Hg in der CPAP Gruppe. Wir fanden eine hohe lineare Korrelation der regionalen Ventilation zwischen EIT und Ventilationsszintigraphie (SPECT) (Y=82x+0,73 R²= 0,92). Aus der Bland- Altman-Analyse wird deutlich, dass EIT Regionen mit geringer Ventilation überschätzt und Regionen mit hoher Ventilation unterschätzt (s. Abbildung 10, Seite 27). Gleiche Befunde wurden erhoben bei einer Subgruppenanalyse des Beatmungsmodus (s. Abbildung 11, Seite 28 und Abbildung 12, Seite 29) und der Schwere des Lungenödems durch eine getrennte Analyse dorsaler und ventraler Lungenanteile (s. Abbildung 13, Seite 30).
y = 0.82x + 0.73 R2 = 0.92 0
2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10
SPECT[Ventilation%]
EIT [ΔImpedance%]
-3 -2 -1 0 1 2 3
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%]
+ 2 SD
- 2 SD mean
Abbildung 10: Lineare Korrelation und Bland-Altman-Analyse der regionalen Ventilation in 240 Regions-of-Interest einer Thoraxschicht zwölf maschinell beatmeter Schweine gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) und Ventilationsszintigraphie (SPECT). Ergebnisse als prozentualer Anteil der Ventilation an der Gesamtventilation in der untersuchten Thoraxschicht (Hinz et al. 2003b).
-3 -2 -1 0 1 2 3
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%]
+ 2 SD
- 2 SD mean PCV
y = 0.85x + 0.56, R2 = 0.94
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%]
+ 2 SD
- 2 SD mean APRV
y = 0.67x + 1.36, R2 = 0.82
-3 -2 -1 0 1 2 3
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%] + 2 SD - 2 SD mean CPAP
y = 0.78x + 0.96, R2 = 0.91
Abbildung 11: Lineare Korrelation und Bland-Altman-Analyse der regionalen Ventilation in 240 Regions-of-Interest einer Thoraxschicht zwölf machinell beatmeter Schweine gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) und Ventilationsszintigraphie (SPECT) in Abhängigkeit vom Beatmungsmodus Ergebnisse als prozentualer Anteil der Ventilation an der Gesamtventilation in der untersuchten Thoraxschicht. Je vier Schweine wurden maschinell ohne Spontanatmung (PCV), maschinell unter Erhalt der Spontanatmung (APRV) und mit ausschliesslicher Spontan- atmung (CPAP) beatmet (Hinz et al. 2003b).
Abbildung 12: Vergleich der regionalen Ventilationverteilung in dorsaler zu ventraler Richtung einer Thoraxschicht bei verschiedenen Beatmungsmodi (PCV, APRV, CPAP).
Ergebnisse als prozentualer Anteil der Ventilation an der Gesamtventilation in der untersuchten Thoraxschicht. Je vier Schweine wurden maschinell ohne Spontanatmung (PCV), maschinell unter Erhalt der Spontanatmung (APRV) und mit ausschliesslicher Spontanatmung (CPAP) beatmet (Hinz et al.
2003b).
ventral
y = 0.76x + 1.05, R2 = 0.88
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%]
+ 2 SD
- 2 SD mean
dorsal
y = 0.79x + 0,78, R2 = 0.91
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 2 4 6 8 10
Mean(EIT-SPECT) [Ventilation%]
Difference(EIT-SPECT) [ΔImpedance%]
+ 2 SD
- 2 SD mean
Abbildung 13: Lineare Korrelation und Bland-Altman-Analyse der regionalen Ventilation in 240 Regions-of-Interest einer Thoraxschicht zwölf machinell beatmeter Schweine gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie (EIT) und Ventilationsszintigraphie (SPECT) in Abhängigkeit der Ausprägung des Lungenödems. Da bekannt ist, dass ein Lungenschaden durch zentralvenöse Ölsäureapplilkation eine schwerkraftabhängige Verteilung des Lungeschadens aufweist, wurde eine Analyse der Ventilation in den Subgruppen dorsaler Lungenregionen (dorsal) und ventraler Lungenregionen (ventral) durchgeführt. Ergebnisse als prozentualer Anteil der Ventilation an der Gesamtventilation in der untersuchten Thoraxschicht (Hinz et al. 2003b).
3.3 Studie III:
José Hinz, Günter Hahn, Peter Neumann P, Michael Sydow, Peter Mohrenweiser, Gerhard Hellige, Hilmar Burchardi (2003): End- expiratory lung impedance change enables bedside monitoring of end- expiratory lung volume change. Intensive Care Med 1, 37-43
Wir untersuchten die Änderung des end-exspiratorische Lungenvolumens (EELV) von zehn maschinell beatmeten Patienten mit EIT und einem offenen Stickstoffauswaschvorgang. Das end-exspiratorische Lungenvolumen der Patienten wurde durch stufenweise Änderung des PEEP von 0 mbar bis 15 mbar in 5 mbar Schritten variiert. Wir fanden bei 0 mbar PEEP ein EELV von 815 ml bis 2002 ml (Median 1.316 ml), bei 5 mbar PEEP von 940 ml bis 2.281 ml (Median 1.578 ml), bei 10 mbar PEEP 1.080-2.841 ml (Median 1944 ml) und bei 15 mbar PEEP ein EELV von 1.546-3.548 ml (Median 2379 ml). Die end- exspiratorische Impedanzänderung variierte im Vergleich zur Referenz (0 mbar PEEP) bei 5 mbar PEEP von 0,00 bis 0,04 (Median 0,01), bei 10 mbar PEEP von 0,02 bis 0,08 (Median 0,03) und bei 15 mbar PEEP von 0,05 bis 0,13 (Median 0,06) (s. Abbildung 14 Seite 32). Die Langzeitstabilität des EIT Signals zeigte nach 1, 10, 20, 30, und 40 Minuten eine Variation von 1,5 bis 6,1 % (Median 3,1 %). Der Vergleich der mit den beiden Methoden gemessenen Lungenvolumenänderungen zeigte eine hohe lineare Korrelation (Abbildung 15, Seite 33).
PEEP 0 PEEP 5 PEEP 10 PEEP 15 500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
End-exspiratorisches Lungenvolumen [ml]
Median 25%-75%
Bereich
* * *
PEEP 0 PEEP 5 PEEP 10 PEEP 15 -0,05
0,00 0,05 0,10 0,15
End-exspiratorische Lungenimpedanz [Impedanzänderung]
Median 25%-75%
Bereich
* * *
Abbildung 14: End-exspiratorisches Lungenvolumen und end- exspiratorische Lungenimpedanz (ELIC) von 10 maschinell beatmeten Patienten bei unterschiedlichen PEEP * p < 0.05 im Vergleich zur Referenz bei 0 mbar PEEP (Hinz et al. 2003a).
R2 = 0,95
0,00 0,05 0,10 0,15
0 500 1000 1500
Änderung EELV [ml]
Änderung ELIC [ΔImpedance]
-30 -20 -10 0 10 20 30
0 20 40 60 80 100
Mittelwert (ELIC,EELV) [Impedanzänderung%, ml%]
Differenz (ELIC,EELV) [Impedanzänderung%, ml%]
MW +2 SD
- 2 SD y=0.98x-0.68
R2=0.95
Abbildung 15: Lineare Korrelation und Bland-Altman-Analyse der Änderung des end-exspiratorischen Lungenvolumens von zehn maschinell beatmeten Patienten gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie (ELIC) und einem offenen Stickstoffauswaschvorgang (EELV) (Hinz et al. 2003a).
3.4 Studie IV:
José Hinz, Peter Mohrenweiser, Peter Neumann, Günter Hahn, Michael Sydow, Gerhard Hellige and Hilmar Burchardi (2005):
Effects of positive end expiratory pressure on regional ventilation in mechanically ventilated patients. Eur J Anaesth 22(11), 817-825
Wir fanden eine Zunahme des end-exspiratorischen Lungenvolumens durch schrittweise PEEP Erhöhung im Bereich von 1.316 ml bei 0 mbar PEEP auf 2.561 ml bei 15 mbar PEEP. Dies entsprach einer Zunahme des EELV um 95%.
Nach Rückkehr auf 0 mbar PEEP war das EELV signifikant höher (1.419 ml) als beim initialen 0 mbar PEEP. Die arterielle Sauerstoffsättigung und das arterielle Kohlendioxid blieben konstant bei allen PEEP. Der Oxigenierungsindex (PaO2/FiO2) stieg von 215 mmHg bei 0 mbar PEEP auf 286 mm Hg bei 15 mbar PEEP. Nach anschliessender Rückkehr auf 0 mbar PEEP war der PaO2/FiO2 mit 240 mmHg signifikant höher als zu Beginn der Studie.
Die Anzahl der Regionen in der Gruppe “nicht-ventiliert” (Atelektasen, Thoraxwand und Mediastinum) nahm um 25 % von 540 Regionen bei 0 mbar PEEP auf 406 Regionen bei 15 mbar PEEP ab. Die Regionen in der Gruppe
“schlecht-ventiliert” nahm um 22 % von 318 Regionen bei 0 mbar PEEP auf 360 Regionen bei 15 mbar PEEP zu. Die Regionen“moderat-ventiliert” nahm um das 2,5 fache von 40 Regionen bei 0 mbar PEEP auf 100 Regionen bei 15 mbar PEEP zu. Und die Anzahl der Regionen “gut-ventiliert” stieg signifikant von 0 bei 0 mbar PEEP auf 34 Regionen bei 15 mbar PEEP. Die Ergebnisse sind zusammengefasst in der Abbildung 16 (Seite 35). Wir fanden eine überwiegende Zunahme der Ventilation überwiegend in den dorsalen Lungenabschnitten (Abbildung 17, Seite 36).
nicht
PEEP [cmH2O]
ROI
0 100 200 300 400 500 600 700
0Begin 5 10 15 0End
schlecht
PEEP [cmH2O]
ROI
200 400 600
0Begin 5 10 15 0End
moderat
PEEP [cmH2O]
ROI
0 50 100 150
0Begin 5 10 15 0End
gut
PEEP [cmH2O]
ROI
0 50
0Begin 5 10 15 0End
Abbildung 16: Anzahl der Regionen in den Ventilationsgruppen (nicht, schlecht, moderat, gut) von acht maschinell beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen bei verschiedenen PEEP (Hinz et al. 2005).
0 5 10 15 20 25 30 35
0 500 1000 1500 2000 2500
Ventilation [Impedance]
Dorsal Ventral
PEEP 0 PEEP 5 PEEP 10 PEEP 15
Abbildung 17: Summe der regionalen Ventilation (Impedance) von acht maschinell beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen bei verschiedenen PEEPs in dorso-ventraler Richtung (Hinz et al. 2005).
3.5 Studie V
José Hinz, Onnen Moerer, Peter Neumann, Taras Dudykevych, Inez Frerichs, Gerhard Hellige, Michael Quintel (2006): Regional pulmonary pressure volume curves in mechanically ventilated patients with acute respiratory failure measured by Electrical Impedance Tomography. Acta Anaesthesiol Scand 50, 331-339
Wir untersuchten neun maschinell beatmete Patienten mit akutem Lungenversagen. Der mittlere Lung injury score nach Murray (Murray et al.
1988) war 2,0 und der Oxigenierungsindex PaO2/FIO2 war 143-298 (Median 260) mmHg. Die Compliance streute von 30 - 82 (Median 51) ml/cm H2O. Während des Low-Flow-Manövers, das bei einem Atemwegsdruck von 45 mbar aus
Sicherheitsgründen unterbrochen wurde, beobachteten wir keine signifikanten Nebenwirkungen, wie Blutdruck- oder Sättigungsabfälle.
Die während des Low-Flow-Manövers inspirierten Tidalvolumina aller Patienten korrelierten signifikant mit der Impedanzänderung innerhalb der untersuchten EIT-Schicht (y=1.06x–7.4, r2 = 0.96). Aufgrund eines neuen Algorithmus zur Detektion von Lungenregionen innerhalb des f-EIT-Bildes variierte der Grenzwert der relativen Impedanzänderung von 0.01-0.10 (0.02).
Dies entsprach 2,8%-8,9% (3,7%) der maximal beobachteten relativen Impedanzänderung. In früheren Studien wurde eine Impedanzänderung oberhalb 10 % der Gesamtimpedanzänderung als lungenspezifisch gewertet. Der neue Algorithmus wurde möglich durch den Einsatz eines neuen EIT-Gerätes mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis (Hahn et al. 2001). Die Anzahl der untersuchten Lungenregionen innerhalb des f-EIT-Bildes variierte deshalb von 445-682 (Median 573) Lungenregionen aus insgesamt 912 möglichen f-EIT Regionen. Somit entfielen 63 % des f-EIT-Bildes auf ausgewertete Lungenregionen.
Wir berechneten insgesamt neun konventionelle PV-Kurven, neun globale EIT-PV-Kurven innerhalb der untersuchten Elektrodenebene und 4.512 regionale EIT-PV-Kurven. Diese 4.530 PV-Kurven wurden mit hoher Genauigkeit an die sigmoide Modellgleichung angepasst (r2 0.93-0.98 (Median 0.95). Aus den
Korrelation zeigten (y=1.05x + 0.03, r2 = 0.93). Jedoch fanden wir in den regionalen Messungen eine ausgeprägte Heterogenität der Inflektionspunkte. LIP konnten in 54-264 (median 180) Regionen gefunden werden, die von 2-26 (Median 8) mbar variierten. Der Medianwert der LIP aus den regionalen Messungen war vergleichbar mit den globalen LIP.
In den globalen Messungen wurden obere Inflektionspunkte (UIP) bei drei Patienten gefunden (Konventionell: 31-39 (Median 33) mbar; EIT PV Kurven:
30-40 (Median 34 mbar). Wir fanden ebenfalls eine enge lineare Korrelation der UIP aus diesen Messungen (y=1.19x - 6.08, R2 = 0.97) und eine deutliche Heterogenität der regionalen UIP (14-44 (Median 36) mbar in 149 – 324 (193) Regionen) und einen vergleichbaren Medianwert der regionalen und globalen UIP. Alle Ergebnisse sind in Abbildung 18 (Seite 39) zusammengefasst.
Desweiteren fanden wir einen Einfluss der Schwerkraft auf die Verteilung der LIP und UIP (s. Abbildung 19 Seite 40).
0 25 50 75 100 125 150
0 - 2 4 - 6 8 - 10 12 - 14 16 - 18 20 - 22 24 - 26 28 - 30 32 - 34 36 - 38 40 - 42 44 - 45
Atemwegsdruck [mbar]
Anzahl Regionen
LIP UIP
Patient No. 7 Paw
0 25 50 75 100 125 150
0 - 2 4 - 6 8 - 10 12 - 14 16 - 18 20 - 22 24 - 26 28 - 30 32 - 34 36 - 38 40 - 42 44 - 45
Atemwegsdruck [mbar]
Anzahl Regionen
LIP UIP
Patienten gesamt
Abbildung 18: Regionale untere (LIP) und obere Inflektionspunkte (UIP) eines maschinell beatmeten Patienten (Patient No. 7) und aller untersuchter Patienten (Patienten gesamt) in einer transversalen Thoraxebene gemessen mit der elektrischen Impedanztomographie. Anhand der
LIP UIP
LIP UIP
0 4 8 12 16 20 24 28 32
0 10 20 30 40 50
Atemwegsdruck [mbar]
Dorsal Ventral
Abbildung 19: Regionale untere (LIP) und obere Inflektionspunkte (UIP) eines Patienten (oben) und aller untersuchten Patienten (unten) in einer transversalen Thoraxebene in dorso-ventraler Richtung (Hinz et al. 2006).
(Werte oben als Absolutwerte unten als Mittelwert und Standardabweichung)
4. Diskussion
Die maschinelle Beatmung schädigt bei inadäquaten Beatmungsdrucken sekundär die Lunge. Es konnte gezeigt werden, dass eine Beatmung deren Beatmungsdrucke durch globale PV-Kurven eingestellt wird die Prognose von Patienten mit akutem Lungenversagen günstig beeinflusst (Amato et al. 1998, Gattinoni et al. 1984, The Acute Respiratory Distress Syndrome Network 2000).
Druck-Volumen-Kurven der gesamten Lunge sind jedoch nicht repräsentativ für alle Lungenregionen, da sich die Atemmechanik regional unterscheidet. Deshalb wurde empfohlen bei Respiratoreinstellung regionale Inhomogenitäten in die Überlegungen mit einzubeziehen. Da Atelektasen innerhalb von Sekunden auftreten können (Neumann et al. 1998a, Rothen et al. 1999), sind Techniken wünschenswert, die die regionale Funktion der Lunge kontinuierlich, bettseitig und nicht invasiv überwachen (Rouby et al. 2002). Die derzeitigen Untersuchungsmethoden Computertomographie und Ventilationsszintigraphie sind im Gegensatz zu der elektrischen Impedanztomographie hierzu nicht geeignet. Ziel dieser Habilitationsarbeit war der Vergleich der elektrischen Impedanztomographie, die diese Voraussetzungen erfüllt, mit klinisch etablierten Verfahren der Luftgehalts- und Ventilationsmessung und die Einführung von Parametern zur Messung der regionalen Ventilation.
1)
4) Inaugurierung bettseitiger Parameter zur Überwachung der regionalen Ventilation (Studie IV und V).
Die Ergebnisse der Studie I bestätigen, dass die EIT regionale Luftgehaltsänderungen der Lunge und deren Inhomogenität in ventralen, medialen und dorsalen Regionen beider Lungen messen kann. Die Unterschiede beruhen auf den Unterschieden der Messtechniken zwischen EIT und CT und sind in Bezug auf den Vergleich nicht unkritisch. EIT misst die elektrischen Eigenschaften des Lungengewebes und hat eine zeitliche Auflösung von 45 EIT- Bilder⋅s-1. Dies ist somit im Vergleich zu möglichen 4 CT-Bilder⋅s-1 deutlich höher. Jedoch ist die örtliche Auflösung der EIT mit 8% des Thoraxdurchmessers, so dass Volumina zwischen 9 ml und 29 ml untersucht werden können, geringer als die des CT (Brown und Barber 1987, Hahn et al. 1998). Die EIT ist deshalb geeigneter zur Messung funktioneller Änderungen der Lunge. Das CT hingegen misst die Gewebedichte und ist damit geeigneter zur Messung anatomischer und morphologischer Strukturen. Da bei unserer Untersuchung die Änderung des Luftgehalts zwischen end-exspiratorischen und end-inspiratorischen Status während ununterbrochener maschineller Beatmung berechnet wurde, ist die deutlich unterschiedliche zeitliche Auflösung in Bezug auf die untersuchte Ventilationsamplitude beim CT ungenauer als beim EIT. Bei einer Inspirationszeit von zwei Sekunden (Respiratorfrequenz 10⋅Minute-1, I:E=1:1,3) werden mit dem CT lediglich 8 CT-Bilder und mit der EIT 26 EIT-Bilder untersucht, so dass die end-inspiratorischen und end-exspiratorischen Respiratorphasen mit der EIT wegen der höheren zeitlichen Auflösung exakter detektiert werden. Ein weiterer Unterschied zwischen EIT und CT besteht in der
Ausdehnung und Form der untersuchten Schicht. Während eine untersuchte CT- Schicht eine nahezu gleichmässige Schichtbreite aufweist, fliesst der elektrische Strom der EIT entlang der Äquipotential-Linien, so dass auch Lungengewebe im Randbereich der durch die Elektroden definierten transversalen Thoraxschicht untersucht werden (Rabbani und Kabir 1991). Aus diesem Grund wurde mit dem CT eine multi-slice Untersuchung mit insgesamt vier CT-Schichten durchgeführt, um eine 4 cm CT-Schicht zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie zeigen beim Vergleich der regionalen Ventilation von EIT und CT eine schlechtere Korrelation in den mittleren und ventralen Lungenregionen. Hierfür sind vermutlich zwei Effekte verantwortlich. Bei den auf dem Rücken liegenden Tieren findet eine Bewegung des Thorax in ventraler Richtung statt. Der Bildrekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt im Gegensatz zum CT keine Bewegungen des untersuchten Körpers, so dass das CT die ventralen Thoraxexkursionen im Gegensatz zum EIT mit untersucht. Ein weiterer Grund liegt in Impedanzartefakten durch den pulsatilen Blutstrom des ventral liegenden Herzens (Faes et al. 1999, Frerichs et al. 2002b, Vonk et al. 1997). Trotz der erwähnten Unterschiede sind sowohl die EIT (Nopp et al. 1993) als auch das CT (Drummond 1998) geeignet Unterschiede im regionalen Lungenvolumen zu messen. Die Hauptaussage der Studie I liegt in der trotz der beschriebenen Limitierungen guten Übereinstimmung von EIT und CT zur regionalen
EIT mit der Ventilationsszintigraphie (SPECT) durchgeführt und eine gute Korrelation der EIT mit SPECT gefunden (Kunst et al. 1998). In dieser Studie wurde das Verhältnis der Ventilation der rechten und linken Lunge als „regions- of-interests“ (ROI) mit der EIT und SPECT verglichen. Der Unterschied in unserer Studie lag in der höheren örtlichen Auflösung. Während Kunst und Mitarbeiter zwei ROIs verglichen und wegen des schlechten Signal-Rausch- Abstandes jeweils 10 EIT-Bilder mitteln mussten, um ein EIT-Bild zu berechnen, untersuchten wir 20 Regionen, die von dorsal nach ventral verliefen. Die erhöhte Anzahl der ROIs war möglich, da das in der Abteilung Anästhesiologische Forschung entwickelte und von uns verwendete EIT-Gerät ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aufwies (Hahn et al. 2001), so dass 912 ROIs mit 45 EIT-Bildern⋅s-1 gemessen werden konnte. Der Auswertealgorithmus des SPECT liess jedoch nur 20 dorso-ventrale Schichten als ROI zu. Wir beobachteten eine gute lineare Korrelation zwischen EIT und SPECT unabhängig davon, ob es sich um Spontanatmung oder kontrollierte Beatmung handelt (s. Abbildung 11, Seite28). Wir fanden auch keinen Unterschied in der Korrelation in Abhängigkeit von der Schwere des Lungenschadens (s. Abbildung 13, Seite 30), der Compliance oder des extravaskulären Lungenwassers. Wir beobachteten jedoch, das EIT die regionale Ventilation im Vergleich zu SPECT in den gut ventilierten Regionen unterschätzt. Wohingegen EIT die regionale Ventilation in den schlecht ventilierten Regionen überschätzt. Ein Grund hierfür könnte in der Ablagerung des Indikators in den Atemwegen sein, da hierdurch eine erhöhte Ventilation in diesen Regionen vortäuscht wird. Ein weiterer Grund liegt vermutlich in den Besonderheiten der Bildrekonstruktion. In einem mit
isotoner Kochsalzlösung gefüllten Gefäss als physiologischem Modell eines Thorax wurde der lineare Bereich des Bildrekonstruktionsalgorithmusses untersucht. Bis zu 20% Impedanzänderung verhält sich der Algorithmus linear.
Wir beobachteten Impedanzänderungen bis zu 25 %, so dass die Fehlschätzungen darauf zurückzuführen sein können. Zusätzlich basiert der back-projection- Algorithmus auf einigen Annahmen, die zum Teil bei Thoraxuntersuchungen und Lungenversagen verletzt werden. Das zu untersuchende Objekt muss zwei- dimensional und rund sein, die regionale Impedanz muss homogen sein und die Elektroden müssen äquidistant um das Objekt verteilt sein (Barber 1990). Die Limitierungen der zeitlichen und räumlichen Auflösung, die bereits in Studie I beim Vergleich mit dem CT besprochen wurden, gelten für den Vergleich der EIT mit SPECT ebenso. Die Hauptaussage der Studie II liegt in der trotz der beschriebenen Limitierungen guten Übereinstimmung von EIT und SPECT zur regionalen Ventilationsmessung bei Schweinen mit ARDS. Die Ergebnisse sind mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen oder ARDS übertragbar.
Das end-exspiratorische Lungenvolumen (EELV) ist ein Parameter zur Beurteilung der Lungenfunktion beatmeter Patienten, da es indirekt Informationen über Atelektasen oder mögliche Überblähung gibt (Dambrosio et al. 1997, Gattinoni et al. 1995, Hedenstierna 1993). Eine kontinuierliche Überwachung ist
